重型機械製造工藝中（zhōng）焊接連接技術與機（jī）器人應（yīng）用

作為焊接重型機械製造過程中的關鍵（jiàn）連接技術，焊接設備與機器人（rén）設備的聯合使用（yòng），推動（dòng）了焊接機器人智能製造技術的不斷發展，更好地服務於我國企業的生產。通過介（jiè）紹焊接機器人（rén）在重型機（jī）械行業的應用及發展趨勢，闡述了焊接機器人因（yīn）產品需（xū）求不（bú）同而發（fā）展了不同的焊接機器人工（gōng）作站，促進了焊接機器人的（de）智能化（huà）、自動化發展，提高了企業的生產效率，降低了現（xiàn）場操作人員的勞動強度，改善了焊接工作環境。闡述了焊接機器人在智能製造領域（yù）的未來發展方向。

一

前言

重型機械工業是（shì）國民經濟發展的基礎，是一個國家綜合國力（lì）的重要體現，在國民經濟發展中占（zhàn）有特殊地位。重型機械工業（yè）的發展已經成為我國礦業（yè）、能源開（kāi）發、原材（cái）料生產等基礎工業發展（zhǎn）的重要保障。隨著中國製造的快速（sù）發展，智能裝備等技術將廣泛應（yīng）用於重型機械行業，推動企業的產品（pǐn）和技術（shù）升（shēng）級（jí），使企業適應現代化的步伐，向工業4.0的目標邁（mài）進（jìn）。

焊接作為重型機械行業生產過程中的關鍵技術之一（yī），一直（zhí）發揮著重要的作（zuò）用（yòng），決定（dìng）著產品的質量、可（kě）靠（kào）性和安全性。我（wǒ）國重型機械企（qǐ）業的（de）發展模式一直是勞動密集型，呈現出勞動力成本低、工作（zuò）環境差、技術對人的依（yī）賴性較大的特點。然而，隨著社會的進步和新技術的發展，企業發展的模式逐漸從勞動密集型向技術密集型轉變，強調以人為本的發展方向。因（yīn）此，為了更好地體現以人為本的（de）發展（zhǎn）模（mó）式，重機行業的產品急需（xū）進行生產工藝的升級（jí）改（gǎi）造。隨著（zhe）焊接設備自動化和智能化新技術的快速發（fā）展，有必（bì）要大力推廣使用智能焊接技術，逐步（bù）取代現（xiàn）有的落後技術，改善現場工作環境，提高工作效率[1]。

2

重型機械焊機（jī）的發展趨勢

麵對新的競（jìng）爭市場（chǎng）環境，重型機械行業正逐步向專（zhuān）業化、裝備化（huà）、智能化和自動化方向發展，以滿足產品升級的（de）需求。焊機技術在重型機械行業得到了廣泛應用，促進了智能製造技術的升（shēng）級，增加了企（qǐ）業的經濟（jì）效益。一般來說，專（zhuān）用焊機包括焊接操作（zuò）設備、位移設備、控製設備和（hé）外圍安全設備等。，並可根據客戶的產（chǎn）品要求定製。它具有（yǒu）很強的靈活性和實用性，應用範圍廣。隨著新型（xíng）傳（chuán）感器（qì）、信息技術和機器人技（jì）術的發展，特種焊機的發展正逐步走向智能化，以更好地滿足產（chǎn）品需求（qiú）[2]。

由於定製需求（qiú），焊（hàn）機技（jì）術應用範圍廣，可以實現多種產品的自動焊接。介紹了以（yǐ）下特種焊機在重型機械行業的應用（yòng）。對於中厚度V型坡口管（guǎn）道的對接焊，我公司設計了一種帶有專用焊機的旋轉軌道，並（bìng）在（zài）軌道上進行管道氬弧焊（hàn），如圖1a所示。

根據產品（pǐn）的特（tè）點（diǎn），我公司設計了一（yī）種XZ直線軌道，可以雙向運動。電（diàn）弧焊炬安裝在行走軸的末（mò）端。堆焊產品時，焊縫的高度會逐漸增加，Z軸會（huì）隨著焊縫的增加而上升，以保（bǎo）證焊縫的外觀（guān）美觀，如圖1b所示。

厚板產品的焊接軌跡為圓弧、坡口（kǒu）角焊和多層多道焊。根據產（chǎn）品的焊接特點，我公司開發的厚板專用弧焊機（jī）如圖1c所示。該（gāi）專機包括（kuò）行走軸、焊接設備、攝像照（zhào）相、線激光和上位機控製係統（tǒng）。集成攝（shè）像拍照傳感器，可根據攝像拍照識別（bié）工件，生成電弧軌跡，並通過線激光傳（chuán）感器修正焊槍運動軌（guǐ）跡，保證焊縫和焊接質量（liàng）的一致性（xìng）。大厚度管道的（de）埋弧焊（hàn）如（rú）圖1d所示。該專用焊機集埋（mái）弧焊設備、旋轉變位機、X行走軸、機器人和弧（hú）焊設備等為一體。工（gōng）作（zuò）順序是外部設備（bèi）控製變位機旋轉，機器人弧焊設備對工（gōng）件進行（háng）打底焊（hàn）接，然後用埋弧焊焊接填充蓋。

三

重型機械機器人焊接的發（fā）展趨勢

隨著傳感器和信息技術的快速進步，焊接機器人的相（xiàng）關技術也相應發展起來，促進了焊接機器人在許多行業的（de）廣（guǎng）泛應用。尤其是（shì）智能製（zhì）造受到國家政策的支持，使得焊接機器（qì）人在重機行業的應（yīng）用最為廣泛。由於焊接機器人（rén）的廣泛使用，在一（yī）定程度上（shàng）提高了產（chǎn）品焊接生產的效率和質量（liàng），也（yě）有效改善了現場操作人員的工作環境[3]。焊接機器人技術經曆了研究、發展和成熟的過程，現在已經發展到像人類一樣具有外部感知，能夠做出判斷和動作，能夠適應各種環境變化。根據（jù）客戶的不同需求，焊接機器人的應用類型已經從單機器人焊接工（gōng）作站、單工位工（gōng）作站和外部導軌集成發展到焊接機器人成為自動化生產線的組成部分。

圖2是一（yī）個（gè）簡單的焊接機器人工作（zuò）站，主要由機器人、焊槍、焊機等設備組成（chéng）。焊接產品為厚板，可通過編程實現（xiàn）電弧自動焊接。重型機械行業產品的加工誤差可以通過機（jī）器人定位、電弧跟蹤等傳感器進行修正，使機器人焊接產品質量穩定。

圖3為主梁焊接機器人工作站，主要由機器人、焊槍和焊工、旋轉立柱（zhù）、導軌和點激光器組成。焊接產品為大（dà）梁，通過參（cān）數化編程實現大梁的自動（dòng）焊接。該工作站主要利用上位機建立模型，通過通（tōng）信將三（sān）維模型的參數傳輸（shū）給機器（qì）人，從而實現機器人（rén）的自（zì）動焊接。

介紹了粉盒焊接機器人（rén）工作站（zhàn），主（zhǔ）要由機器人、定（dìng）位（wèi）器、行走導軌（guǐ）、焊槍、焊機和激光器等組成。待焊產品為粉盒，通過編程實現三工位產品的（de）自動焊接。該（gāi）焊接機器人工作站采用外置激光傳感器進行定位跟蹤，保證了產品焊接的一致性，實現了產（chǎn）品焊接質量的穩定。

四

重型機械智能焊接機器人（rén）的發展趨勢

4.1重型機械機器人焊接技術的發展趨勢

目前國產機器人在各個行業（yè）尤其是重（chóng）型機械行業還無法（fǎ）與（yǔ）國外機器人“四大家族”抗衡，實現大規模普及應用還有很長的路要走。隨著科學技術的發展，我國機器人在（zài）相關傳感和（hé）控製技術以及關鍵部件（jiàn）方麵將逐步完善，在一定程度上（shàng），其性能和功能可以達到先進水平。重機工業生產（chǎn）的產品是由許多結構件組裝焊接而成的，在整（zhěng）個產品中起（qǐ）著承載作用（yòng），對這些結構件的結構性能要求很高。由於這些（xiē）結（jié）構件的（de）焊接量很大，采用機器人焊接具有重要（yào）的現實意義。但是對於新產品的生產，現場調試的時間會很長（zhǎng），所以如何減少現場產品的示教過程，縮短（duǎn）產品的現場調試（shì）時間，降低生產節奏，提高產品的製造效率，增加企業的效益，是很多企業迫切需要解決的問題。

(1)離（lí）線（xiàn）仿真技術的發（fā）展

“四大家族”品牌機器人都有離線仿真軟件。該軟件可以在虛擬工作平台上（shàng）編寫機器人程序和邏輯指令，無（wú）需現場示教編程，減少（shǎo）了現場示教時（shí）間，提高了生（shēng）產效率（lǜ）。可以配備模擬實際工作站的平台，編寫程（chéng）序，將生成的生產作（zuò）業程序通過外部移動設備導入田間機器（qì）人的控製器進（jìn）行生產（chǎn）作業。各（gè）大機器人廠（chǎng）商的仿真軟件（jiàn）各有特色。ABB的機（jī）器人仿（fǎng）真軟件是Robotstudio。在該軟件上，可（kě）以編寫產（chǎn）品的焊接程序（xù），包括擺動（dòng）、電弧（hú）跟蹤和激光跟蹤，還可以編寫循環（huán）指令和選擇語句。

圖5示出了結構部件的底架，其使用（yòng）離線模擬軟件來模（mó）擬工件的可達範圍。使用該（gāi）軟（ruǎn）件，需要導入機器人模型、焊槍和整個（gè）工作站（zhàn）模型，以承載實際場景的實際圖形。然後編寫運動程序，針對工（gōng）件的焊接位置編寫焊接程序、焊槍清洗（xǐ）程序和邏輯程序。

(2)基於視覺的實時在（zài）線技術，無需編（biān）程。

目前國內（nèi）幾大機器人廠商如Eft、錢江等都有開源的控（kòng）製係統，國內外集成商都可以開發。集成商可以根據客戶（hù）的需求進（jìn）行二次開發（fā），讓（ràng）機器人適應新的環境。集成商將各（gè）種傳感器（qì）與（yǔ）機器人結合起來，形成一種新的智能機器（qì）人（rén）技術，更加智能。

智能焊（hàn）接機器人（rén）工（gōng）作站主要（yào）由視覺傳感器（qì）、線激光（guāng）器、點激光器、機器人、焊機、外部（bù）跟蹤、上位機（jī）軟（ruǎn）件開發等設備組成。這個工作站不需要現場編輯程序。通過運行計算機上的軟件，可以生成機器人軌跡。該工作（zuò）站可改善（shàn）現場操作人員的工作環境，無需（xū）編程或任何位置修正即（jí）可直接焊接。

4.2重型機械智能焊接的發展趨（qū）勢（shì）

由於以前重機行業的焊接都是依靠手工焊接，焊接質量（liàng）都取決於焊工的實際技術水平（píng）和焊（hàn）工自身素質，焊接質量很難控製，焊接質量控製技術應運而生。焊接質量控製技（jì）術，利用視覺傳感方（fāng）法監測和檢測焊接熔池的變化和焊縫背麵的形（xíng）成，並根據形成變（biàn）化實時（shí）調整機器人位置，從而獲（huò）得更好的（de）焊縫形成。

焊接質量控製技術主要包括焊接熔池變化、焊接過程建模和控製器設計。監控焊接熔池（chí）的變化是控製焊縫成形質量的重要步驟。基於視覺傳感器的在線實時監測（cè）可（kě）以直觀地反映焊接過程中的焊接成形（xíng）行（háng）為（wéi），因此這種方法（fǎ）常用於焊接過程控製。此外，掌握焊接參數與焊縫成形之間的規律，建立焊接成形模型也是控製器的設計基礎。隨著（zhe）技術的發展，現代神經網絡、模（mó）糊集、粗糙集等智能建模方法的提出和應用，使得焊接（jiē）成形質量控製技術得到了發展。隨著對焊（hàn）接過程認（rèn）識的深入（rù），所建立的焊接過程模（mó）型會更加準確（què），焊接成形（xíng）質量控製技術也會得到進一步發展。

五

結束（shù）語

隨著中國製造不斷（duàn）向更（gèng）高水平發展，新時代信息技術（shù）革命引領的智（zhì）能（néng）化、數字化在重型（xíng）機械（xiè）行業的應用，將推動（dòng）焊接機器人與智能、自（zì）動控製係統的結合，發展新型智能焊接技術。智能焊接技術的廣泛（fàn）使（shǐ）用可以在（zài）一定程度上替（tì）代機械行業（yè）的部分勞動力。在提高生產效率的同（tóng）時，還能生產（chǎn）出更好的產品，增加企業的經濟效益。這（zhè）將有力推動我國重型機械行業的技術轉型升級，向智能化發展。